李 軍 綜述,顏 杉,許 杰,李 勇 審校

(重慶醫(yī)科大學(xué)附屬口腔醫(yī)院/口腔疾病與生物醫(yī)學(xué)重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/重慶市高校市級(jí)口腔生物醫(yī)學(xué)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶 400015)

炎癥是人體的自我防御反應(yīng),也是一把雙刃劍。適度的炎癥反應(yīng)將幫助機(jī)體清除有害物質(zhì),激活免疫及非免疫細(xì)胞保護(hù)宿主免受侵害;但過(guò)度或持續(xù)的炎癥反應(yīng)將加重病變過(guò)程,造成自身器官和組織的損傷。作為炎癥和免疫應(yīng)答的天然抑制劑——白細(xì)胞介素-37(IL-37)在幾乎全身組織均有表達(dá),當(dāng)外來(lái)刺激誘發(fā)機(jī)體的過(guò)度炎癥時(shí)IL-37表達(dá)上調(diào),避免炎癥繼續(xù)發(fā)展,這在多種組織中均得到證實(shí),如病毒性心肌炎、牙周炎、過(guò)敏性炎癥等[1-3]。巨噬細(xì)胞在先天免疫系統(tǒng)中扮演著重要角色,參與了機(jī)體各種病理及生理過(guò)程,尤其是在炎癥和感染中較為活躍。炎癥過(guò)程中巨噬細(xì)胞發(fā)揮2種相反的作用,M1型釋放促炎性細(xì)胞因子、驅(qū)動(dòng)炎癥細(xì)胞向炎癥部位聚集加重炎癥;M2型通過(guò)釋放抑炎性細(xì)胞因子、吞噬受損細(xì)胞等減輕炎癥[4]。鑒于IL-37及巨噬細(xì)胞在炎癥中的不俗表現(xiàn),越來(lái)越多的研究不禁將其聯(lián)系在一起,即多種炎癥進(jìn)程中除直接參與組織細(xì)胞的調(diào)控外,IL-37仍將通過(guò)調(diào)控巨噬細(xì)胞的生物學(xué)功能進(jìn)一步發(fā)揮其抗炎作用,更加證實(shí)了IL-37在炎癥疾病中的治療價(jià)值。

1 IL-37的成熟、釋放和抗炎機(jī)制

1.1IL-37的成熟及釋放 IL-37在多種人體組織和細(xì)胞中的表達(dá)已被證實(shí),如軟骨細(xì)胞、人單核細(xì)胞白血病細(xì)胞(THP-1)細(xì)胞系、皮膚等[5-7]。然而目前為止在小鼠中并未發(fā)現(xiàn)IL-37的同源基因,所以,對(duì)IL-37的體內(nèi)實(shí)驗(yàn)多是構(gòu)建IL-37的轉(zhuǎn)基因小鼠[8-9]。細(xì)胞產(chǎn)生的IL-37仍具有前體和成熟2種形式,與其他IL-1家族分子成員,如IL-1α和IL-33類似,IL-37的前體形式也是具有活性的[10]。用半胱天冬酶1～10(Caspase 1～10)和顆粒酶B在體外研究IL-37的加工過(guò)程中發(fā)現(xiàn),Caspase-1的切割效率最高,而Caspase-4雖然也參與了IL-37的加工,但效率低得多,而其他半胱天冬酶則沒有觀察到對(duì)IL-37前體的加工作用[8]。另外在穩(wěn)定轉(zhuǎn)染IL-37的RAW264.7細(xì)胞中Caspase-1抑制劑和Caspase蛋白酶家族抑制劑均不能完全抑制IL-37成熟形式的產(chǎn)生,支持IL-37仍存在其他切割位點(diǎn)的假說(shuō)[9]。有研究系統(tǒng)分析了IL-37在單核細(xì)胞中的釋放機(jī)制,證實(shí) NOD樣受體熱蛋白結(jié)構(gòu)域相關(guān)蛋白3(NLRP3)、GSDMD、細(xì)胞膜通透性均參與了IL-37的釋放過(guò)程;當(dāng)然,當(dāng)細(xì)胞發(fā)生溶解性死亡時(shí)IL-37也會(huì)隨之釋放[11-12]。

1.2細(xì)胞內(nèi)外IL-37的作用機(jī)制 IL-37是一種雙功能細(xì)胞因子,細(xì)胞內(nèi)產(chǎn)生的IL-37既分泌至細(xì)胞外空間與其細(xì)胞表面相應(yīng)的受體結(jié)合,也可進(jìn)入細(xì)胞核影響其他蛋白的轉(zhuǎn)錄,從而發(fā)揮強(qiáng)大的抗炎作用。細(xì)胞外的IL-37發(fā)揮抗炎作用需與IL-18Rα結(jié)合,但I(xiàn)L-37與IL-18Rα形成復(fù)合物后并不會(huì)招募IL-18Rβ并形成功能性的IL-18受體復(fù)合物;相反IL-37與IL-18Rα結(jié)合后會(huì)招募IL-1受體8(IL-1R8)[3]。體外研究表明,IL-37降低了IL-1β刺激導(dǎo)致細(xì)胞炎癥因子[IL-6、IL-8、基質(zhì)金屬蛋白酶13(MMP13)等]的表達(dá)上調(diào),但用干擾RNA沉默細(xì)胞內(nèi)的IL-1R8的表達(dá)后IL-37的抑制作用消失[5,13]。值得注意的是,細(xì)胞外空間中的IL-18BP也可與IL-37結(jié)合[10]。細(xì)胞外游離的IL-18BP與IL-18結(jié)合后將阻止IL-18與其受體結(jié)合產(chǎn)生作用,由此可想象當(dāng)IL-18BP水平升高時(shí)IL-37的免疫抑制作用將會(huì)減弱甚至消失。IL-37發(fā)揮其細(xì)胞內(nèi)作用需與 Smad蛋白 3(Smad3)結(jié)合形成復(fù)合物,然后進(jìn)入細(xì)胞核在轉(zhuǎn)錄過(guò)程中發(fā)揮調(diào)控作用。IL-37與Smad3的結(jié)合在大量文獻(xiàn)中得到驗(yàn)證,從最開始有學(xué)者在基于生物學(xué)的蛋白質(zhì)相互作用網(wǎng)絡(luò)中注意到IL-37可與Smad3相互作用,到后來(lái)有學(xué)者通過(guò)免疫共沉淀、免疫熒光共定位進(jìn)一步證實(shí)IL-37與Smad3的結(jié)合,并且IL-37/Smad3復(fù)合物在IL-1β的刺激下在核周間隙高表達(dá)[14-15]。使用Smad3抑制劑——SIS3預(yù)處理細(xì)胞時(shí)IL-37對(duì)IL-6、IL-8、IL-1β等炎癥因子的抑制消失[14,16]。表明細(xì)胞內(nèi)的IL-37通過(guò)與Smad3結(jié)合而發(fā)揮作用。然而到目前為止,尚沒有文獻(xiàn)證實(shí)在IL-37發(fā)揮的抗炎作用中細(xì)胞內(nèi)或細(xì)胞外途徑所占的比重有多少。

2 巨噬細(xì)胞極化

根據(jù)來(lái)源的區(qū)別,巨噬細(xì)胞主要包括卵黃囊衍生巨噬細(xì)胞和骨髓衍生巨噬細(xì)胞,其廣泛存在于體內(nèi),以維持體內(nèi)穩(wěn)態(tài)和抵抗病原體入侵。盡管來(lái)源不同,巨噬細(xì)胞仍具有顯著的可塑性,表現(xiàn)在對(duì)組織中遭遇的微環(huán)境刺激和信號(hào)變化做出功能性反應(yīng),然后極化為不同的巨噬細(xì)胞表型,以適應(yīng)變化的組織微環(huán)境,如經(jīng)典的巨噬細(xì)胞M1型和M2型[4]。隨著研究的深入,其也被細(xì)分為更多的亞類,如有學(xué)者將M2型巨噬細(xì)胞細(xì)分為M2a/M2b/M2c/M2d[17]。當(dāng)組織受損時(shí)炎癥性單核細(xì)胞響應(yīng)刺激從循環(huán)中遷移至組織,然后分化為巨噬細(xì)胞。細(xì)胞因子,如γ干擾素、粒細(xì)胞巨噬細(xì)胞集落刺激因子、腫瘤壞死因子-α(TNF-α)、脂多糖(LPS)等常作為M1型表型的激活劑,而TH2細(xì)胞分泌IL-4和IL-13,常驅(qū)動(dòng)巨噬細(xì)胞向M2表型極化[18]。巨噬細(xì)胞極化過(guò)程是復(fù)雜而連續(xù)的,常說(shuō)的巨噬細(xì)胞極化通常指某個(gè)時(shí)間點(diǎn)巨噬細(xì)胞的狀態(tài)。如傷口的早期階段巨噬細(xì)胞常表現(xiàn)為促炎的M1型,而在愈合階段轉(zhuǎn)變?yōu)榭寡椎腗2型[7]。

由于M1、M2型的生物學(xué)差異,使其在炎癥過(guò)程中表現(xiàn)出不同的作用。炎癥狀態(tài)下的γ干擾素、TNF-α、LPS等細(xì)胞因子會(huì)誘導(dǎo)M1型極化,而M1型極化后將分泌高水平的IL-1β、IL-6、基質(zhì)金屬蛋白酶等促炎性細(xì)胞因子,導(dǎo)致炎癥的繼續(xù)進(jìn)展;炎癥的消退往往伴隨M2型的參與,通過(guò)分泌抗炎性細(xì)胞因子——轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子-β、IL-10,以及IL-1受體拮抗劑、吞噬死亡細(xì)胞、促進(jìn)中性粒細(xì)胞凋亡等功能將驅(qū)動(dòng)有利的調(diào)節(jié)機(jī)制以抑制炎癥反應(yīng)[4,19-20]。因此,通過(guò)控制巨噬細(xì)胞實(shí)現(xiàn)對(duì)炎癥的調(diào)控可集中在兩個(gè)方面,即抑制M1型極化,控制炎癥進(jìn)展;M2型活化和炎癥消退。

3 IL-37通過(guò)巨噬細(xì)胞參與各種炎癥進(jìn)程

3.1關(guān)節(jié)疾病 痛風(fēng)其實(shí)是對(duì)關(guān)節(jié)和關(guān)節(jié)周圍組織中單鈉尿酸鹽(MSU)晶體的引發(fā)的炎癥反應(yīng),其重要的病理機(jī)制之一是巨噬細(xì)胞吞噬MSU后激活,導(dǎo)致細(xì)胞因子釋放,最終導(dǎo)致中性粒細(xì)胞和淋巴細(xì)胞趨化至痛風(fēng)關(guān)節(jié)點(diǎn)[21]。在一項(xiàng)小鼠踝關(guān)節(jié)通風(fēng)模型中(MSU誘發(fā))觀察了0～240 h小鼠踝關(guān)節(jié)內(nèi)巨噬細(xì)胞的動(dòng)態(tài)變化,2～12 h M1、M2型數(shù)量相當(dāng),18～24 h M1型計(jì)數(shù)大于M2型,而從48 h開始M2型數(shù)量超過(guò)M1型并一直維持至240 h。值得注意的是,M1、M2型的動(dòng)態(tài)變化與踝關(guān)節(jié)炎癥的進(jìn)展相同,即24 h達(dá)到峰值,然后開始下降。緊接著的體外實(shí)驗(yàn)也表明了IL-37與M1/M2型比值的反比變化關(guān)系,即IL-37升高時(shí)M2型數(shù)量大于M1型,反之M2型數(shù)量小于M1型[22]。這是IL-37誘導(dǎo)巨噬細(xì)胞M2型極化,減輕炎癥水平的有力佐證。遺憾的是,其對(duì)IL-37調(diào)控巨噬細(xì)胞極化的細(xì)胞機(jī)制并未進(jìn)行詳細(xì)的解釋。急、慢性痛風(fēng)患者關(guān)節(jié)的免疫組織化學(xué)染色結(jié)果顯示,慢性痛風(fēng)患者關(guān)節(jié)IL-37水平明顯高于急性痛風(fēng);同時(shí),IL-37減輕THP-1細(xì)胞內(nèi)炎癥因子——IL-1β的表達(dá)水平,并在體內(nèi)減少M(fèi)SU晶體誘導(dǎo)的腹膜炎小鼠的炎癥細(xì)胞募集,進(jìn)一步驗(yàn)證了IL-37通過(guò)調(diào)節(jié)M1、M2型的極化參與了痛風(fēng)的良性轉(zhuǎn)歸。為探討IL-37抑制巨噬細(xì)胞炎癥因子釋放的機(jī)制,有研究使用聚合酶鏈反應(yīng)列陣對(duì)關(guān)節(jié)總RNA進(jìn)行了分析,結(jié)果顯示,IL-37處理可增強(qiáng)Smad3、IL-1R8、細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)抑制因子3、酪氨酸激酶等基因表達(dá),而抑制抑制性卡巴b蛋白、NLRP3等基因表達(dá),這是IL-37調(diào)控巨噬細(xì)胞的潛在通路[23]。另外ZHAO等[6]指出,通過(guò)糖原合成酶激酶-3β的介導(dǎo),IL-37可保護(hù)巨噬細(xì)胞線粒體功能、介導(dǎo)細(xì)胞內(nèi)代謝重編程,使巨噬細(xì)胞向非炎性表型極化,從而增強(qiáng)巨噬細(xì)胞對(duì)MSU的非炎性吞噬作用調(diào)節(jié)痛風(fēng)過(guò)程。在炎癥膝關(guān)節(jié)組織中IL-37表達(dá)低于正常關(guān)節(jié),同時(shí),炎癥組織內(nèi)M2型也明顯少于M1型,提示IL-37、巨噬細(xì)胞與膝關(guān)節(jié)炎癥明顯相關(guān)。一項(xiàng)體外實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步證實(shí)了IL-37對(duì)M2型的極化作用,同時(shí),IL-37也降低了LPS、高遷移率族蛋白B1 等誘導(dǎo)的TNF-α、MMPs等炎癥因子的表達(dá),提示IL-37將通過(guò)M2型極化減輕骨關(guān)節(jié)病的炎癥,但其機(jī)制仍有待于進(jìn)一步探討[24]。而另一項(xiàng)關(guān)節(jié)炎(顳下頜關(guān)節(jié))的研究詳細(xì)闡述了IL-37抑制M1型極化,治療骨關(guān)節(jié)炎的細(xì)胞機(jī)制為IL-37通過(guò)IL-1R8抑制NLRP3通路,抑制THP-1向M1型極化,并促進(jìn)M2型極化,從而降低IL-6、MMPs等炎癥因子的表達(dá),控制顳下頜關(guān)節(jié)骨關(guān)節(jié)炎的炎癥進(jìn)展;使用小干擾RNA沉默IL-1R8,將使IL-37的有效抗炎作用消失[25]。

3.2心血管疾病 IL-37通過(guò)調(diào)控巨噬細(xì)胞極化參與心血管疾病的研究目前主要集中在動(dòng)脈粥樣硬化方面。眾所周知,動(dòng)脈粥樣硬化的特征是在動(dòng)脈壁內(nèi)發(fā)生細(xì)胞、細(xì)胞外基質(zhì)及膽固醇的集聚。同時(shí),巨噬細(xì)胞參與后引發(fā)的炎癥反應(yīng)及泡沫細(xì)胞的形成也是動(dòng)脈粥樣硬化發(fā)生、發(fā)展的主要原因[26]。氧化型低密度脂蛋白常用于構(gòu)建小鼠動(dòng)脈粥樣硬化模型,在表達(dá)IL-37的轉(zhuǎn)基因小鼠中或予以IL-37治療后動(dòng)脈內(nèi)斑塊的數(shù)量及面積較對(duì)照組減少;而進(jìn)一步對(duì)粥樣硬化斑塊分析發(fā)現(xiàn),斑塊內(nèi)M1型較多,而IL-37的存在或治療使斑塊內(nèi)的巨噬細(xì)胞更趨向于M2型的表型[27-30]。這是IL-37調(diào)整M2型極化抑制動(dòng)脈粥樣硬化的有效證據(jù)。Yes相關(guān)蛋白(YAP)在心肌梗死期間調(diào)控巨噬細(xì)胞分化和巨噬細(xì)胞介導(dǎo)修復(fù)中的作用已被報(bào)道[31]。在巨噬細(xì)胞中IL-37治療消除了LPS刺激誘導(dǎo)的YAP磷酸化,同時(shí),抵抗了YAP-NLRP3復(fù)合物的形成;另一方面IL-37誘導(dǎo)的M2型標(biāo)記物——型極化。進(jìn)一步研究證實(shí),IL-37對(duì)NF-κB的抑制作用是通過(guò)Notch蛋白 1實(shí)現(xiàn)的[29]。動(dòng)脈粥樣斑塊免疫組織化學(xué)染色觀察到IL-37在巨噬細(xì)胞及泡沫細(xì)胞中沉積[32]。提示IL-37抑制斑塊形成的另一個(gè)方向——抑制泡沫細(xì)胞的形成。事實(shí)上IL-37降低了泡沫細(xì)胞的形成,是通過(guò)抑制單核/巨噬細(xì)胞對(duì)脂肪的攝取及脂蛋白相關(guān)磷脂酶A2完成的,需指出的是,IL-37對(duì)脂肪的流出并沒有影響[33-34]。此外IL-37在減少單核/巨噬細(xì)胞向動(dòng)脈粥樣斑塊中的聚集方面也發(fā)揮著有效作用[27,30,35]。

3.3結(jié)腸炎 在鼠結(jié)腸炎模型中IL-37d通過(guò)降低腹膜巨噬細(xì)胞IL-β的表達(dá)有效抑制葡聚糖硫酸鈉誘導(dǎo)的結(jié)腸炎和明礬誘導(dǎo)的腹膜炎;而這是通過(guò)IL-1R8抑制腹膜巨噬細(xì)胞內(nèi)NLRP3的過(guò)度激活實(shí)現(xiàn)的,因IL-37d的抑制作用被IL-1R8的降低所逆轉(zhuǎn)[36]。值得注意的是,IL-37通過(guò)IL-1R8/NLRP3通路誘導(dǎo)巨噬細(xì)胞向M2型極化,雖然未明確說(shuō)明,但I(xiàn)L-37d降低腹膜巨噬細(xì)胞IL-β的表達(dá)可能是通過(guò)將巨噬細(xì)胞極化為M2型實(shí)現(xiàn)的。另一項(xiàng)有趣的研究來(lái)自1例嬰兒型炎癥性腸病患兒,其結(jié)腸病理檢查提示廣泛淋巴漿細(xì)胞浸潤(rùn)和隱窩炎;基因組測(cè)序結(jié)果并未在已知的嬰兒型炎癥性腸病致病基因中發(fā)現(xiàn)罕見的變異,但卻意外發(fā)現(xiàn)了IL-37突變體的發(fā)生。該突變體極不穩(wěn)定且不易在Caspase-1切割后進(jìn)入細(xì)胞核,也不能抑制LPS誘導(dǎo)的炎癥因子升高,說(shuō)明該突變體實(shí)際上已經(jīng)喪失了IL-37的細(xì)胞內(nèi)外功能[37]。這從另一個(gè)角度強(qiáng)調(diào)了IL-37抑制巨噬細(xì)胞聚集、促進(jìn)M2型極化在結(jié)腸炎中的重要性。

3.4其他炎性疾病 妊娠過(guò)程中胎盤局部免疫微環(huán)境中的單核/巨噬細(xì)胞對(duì)正常妊娠非常重要。對(duì)胎盤來(lái)源的單核/巨噬細(xì)胞,IL-37的治療通過(guò)抑制NF-κB通路減輕LPS誘導(dǎo)的TNF-α、IL-6的釋放[38]。提示IL-37有望用于治療妊娠相關(guān)疾病,而這需要進(jìn)行更多的探索。同時(shí),值得注意的是,通過(guò)抑制NF-κB,IL-37可抑制巨噬細(xì)胞的M1型極化,可能是其潛在的機(jī)制。吸煙(CS)是慢性阻塞性肺病的主要原因,其嚴(yán)重程度與肺部炎癥密切相關(guān)。當(dāng)小鼠連續(xù)暴露于香煙下時(shí)肺部炎癥也出現(xiàn)了。在遭受CS暴露的前1 d用表達(dá)IL-37的慢病毒和慢病毒對(duì)照顆粒從鼻內(nèi)吸入以治療小鼠,與空載慢病毒對(duì)照組比較,給予表達(dá)IL-37的慢病毒顯著抑制了CS誘導(dǎo)的小鼠肺部巨噬細(xì)胞等炎性細(xì)胞的增加,減輕肺部炎癥[39]。

4 小結(jié)與展望

巨噬細(xì)胞是免疫系統(tǒng)的重要效應(yīng)細(xì)胞,參與了一系列生物過(guò)程,包括免疫、炎癥反應(yīng)和穩(wěn)態(tài)。其具有顯著的可塑性以便適應(yīng)組織中各種微環(huán)境變化。根據(jù)刺激,巨噬細(xì)胞分化為不同的表型,即M1、M2型。M1型通常被toll樣受體激活,在免疫應(yīng)答中大多表現(xiàn)為抗促炎作用。IL-4、IL-13通常會(huì)促進(jìn)巨噬細(xì)胞向M2型極化,M2型的抗炎機(jī)制是通過(guò)釋放抗炎性細(xì)胞因子、吞噬受損細(xì)胞等途徑實(shí)現(xiàn)炎癥的消退。巨噬細(xì)胞的極化是一個(gè)動(dòng)態(tài)變化的過(guò)程,其極化機(jī)制在細(xì)胞水平涉及大量信號(hào)分子的參與,如YAP、NLRP3、PI3K-AKT、HIF、c-Myc、AMPK和PPARs途徑等[27,36,40]。這些分子及通路不僅在在巨噬細(xì)胞極化中起關(guān)鍵作用而且參與代謝調(diào)節(jié),例如乳酸和MCT1依賴性的M2型極化[41]。IL-37作為抗炎因子的新成員,在多種細(xì)胞和組織中均存在表達(dá)。在這些細(xì)胞或組織中,IL-37的免疫調(diào)節(jié)特性可能特別重要,因?yàn)樗鼈兙S持著宿主與外來(lái)刺激之間的平衡,從而防止過(guò)度的免疫激活。隨著對(duì)IL-37研究的進(jìn)一步深入,IL-37通過(guò)影響巨噬細(xì)胞向極化,以引導(dǎo)炎癥消退的作用在越來(lái)越多的炎性疾病中被證實(shí)。在本文所總結(jié)的炎性疾病中,IL-37參與的巨噬細(xì)胞極化主要集中在對(duì)細(xì)胞信號(hào)分子的調(diào)控,如IL-1R8、NLRP3、YAP、Notch蛋白 1等,這顯得十分有限。同時(shí),僅見一篇關(guān)于IL-37通過(guò)調(diào)節(jié)THP-1細(xì)胞的代謝重編程,促進(jìn)巨噬細(xì)胞的非炎性吞噬活性的文獻(xiàn)報(bào)道[37]。值得注意的是,近年來(lái),IL-37參與代謝的調(diào)節(jié)被越來(lái)越多的文獻(xiàn)報(bào)道。在不久后,不僅是IL-37對(duì)巨噬細(xì)胞的直接調(diào)控,IL-37通過(guò)調(diào)節(jié)巨噬細(xì)胞的代謝影響其極化的文獻(xiàn)報(bào)道將越來(lái)越多。充分說(shuō)明IL-37通過(guò)誘導(dǎo)巨噬細(xì)胞M2型極化、抑制巨噬細(xì)胞M1型極化發(fā)揮強(qiáng)大抗炎效果的作用和潛力將值得并且需要在全身各系統(tǒng)炎性疾病中進(jìn)行更多、更深入的研究。在未來(lái),IL-37將有望成為炎性疾病治療的靶標(biāo)。